WO2010048756A1

WO2010048756A1 - 潜油直线电机

Info

Publication number: WO2010048756A1
Application number: PCT/CN2008/072886
Authority: WO
Inventors: 王新忠; 高云峰; 付晓辉; 王光能; 王国元
Original assignee: 深圳市大族精密机电有限公司
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2010-05-06
Also published as: CN101601181B; CN101601181A

Description

潜油直线电机技术领域本发明涉及一种潜油直线电机，具体涉及一种用于油井下工作的潜油直线电机。背景技术公知的抽油设备主要是梁式抽油机-抽油泵装置，整套设备分为地面、井下和联系地面和井下的中间部分，但其都是机械采油。由于油井开采条件复杂多变，随着井深和产量的不断增加，这种抽油机重量大、事故多的缺点变得非常明显，其缺点具体如下：

1、高耗能：传统机械采油由于机械结构很复杂，电机功率因数很低，一般要 20%-50% 之间；又由于要有长的抽油杆，抽油杆每 1000米上下抽动时约有 0. 6-1. 2米的弹性形变，严重影响到系统效率。

2、容易产生偏磨：由于大多油田的井深都在千米以上，抽油杆被磨断时的发生，严重影响了系统的可靠性。

3、不环保，噪声大；在海上采油时由于原油外泄，会造成原油对海洋的污染。

4、系统复杂：系统主要模块各自分开，系统协调性很差，并且不便一起控制。由于潜油直线电机能够将电能直接转化为直线往复运动而不需要中间传动结构，无论是在井上还是井下对抽油机进行改造，均有利于减少传动机构空间尺寸，提高机采效率，其优点具体如下：

1、节少能源：潜油直线电机主要是动子在定子内作直线运动，其结构很简单，系统效率相对传统系统高，因此节能；由于没有长的抽油杆、齿轮减速和游梁等，系统效率大大增强；平均节能达 50%，节省了大量能源。

2、无偏磨：由于没有长的抽油杆，也就没有了偏磨问题了，系统的可靠性大大增强。

3、由于电机在地下，所以噪声小；在海上采油时由于没有外漏，不会造成原油对海洋的污染。

4、系统简单，系统主要模块潜油潜油直线电机与潜油泵装成一体，系统协调性很好，便于实现智能控制。但利用潜油直线电机来开采石油，对潜油直线电机的定子存在许多要求：首先是需要采取密封措施，例如在油井下工作的潜油潜油直线电机，其定子内部不能渗入水、油等杂物，否则定子内通电的线圈部件无法正常工作乃至使电机损坏。因此对于潜油直线电机来说，优化其定子的密封性能尤其重要。发明内容本发明的主要目的就是提供一种密封性能好、避免采油时存在外漏的可能性、工作效率高的潜油直线电机。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种潜油直线电机，包括定子及在该定子内作直线运动的动子，所述定子包括定子内管、套设在所述定子内管外的定子外管以及设置于所述定子外管和所述定子内管之间并沿其轴向排布的复数节硅钢环和线圈，其特征在于，所述定子外管和所述定子内管之间填充有固体绝缘材料。优选地：所述绝缘材料为环氧树脂。所述线圈具有绝缘外壳。还包括设置于所述定子外管和定子内管端部的至少一接头，所述接头与所述定子外管和定子内管紧配合以在三者之间形成密封腔。在所述接头分别与定子外管与定子内管的接合处均设有密封圈。在所述接头分别与所述定子内管及定子外管相接的周面的至少一者上开设有环形槽，所述密封圈位于该环形槽内。所述定子外管的端面开设有第一螺孔，所述接头的侧部开设有沉槽，所述沉槽内开设有与所述第一螺孔对应、并连通所述沉槽的第一通孔。所述定子外管与接头间设有胶类的垫片。所述接头与定子外管的外周面的相接部位以及所述接头与定子内管的内周面的相接部位至少一者焊接成无缝状态。优选地，还包括设置于所述定子外管和定子内管之间的第一限位环，所述第一限位环紧固安装在所述定子内管上，用于对所述硅钢环和线圈进行限位。优选地，所述第一限位环包括弧度之和略小于整圆弧度的第一箍弧和第二箍弧，所述第一、二箍弧固定接合以紧箍在所述定子内管上。优选地，所述第一箍弧的侧部开设有连通其端部的第二通孔，所述第二箍弧的相应端部开设有第二螺孔，穿过所述第二通孔并锁付在所述第二螺孔上的第二螺丝将所述第一箍弧和第二箍弧固接。优选地，所述动子包括轴、永磁环、导磁环和第二限位环，所述永磁环和导磁环阵列排布在轴上，所述第二限位环固紧安装在轴上，用于对轴上的永磁环和导磁环进行轴向限位。优选地，所述第二限位环包括第三箍弧、第四箍弧，所述第三箍弧和第四箍弧的弧度和略小于整圆弧度，所述第三箍弧和第四箍弧固定接合以紧箍在所述轴上。优选地，所述第三箍弧上设有连通外侧部和端部的第四通孔，所述第四箍弧的相应端部设有第四螺孔，穿过所述第四通孔并锁紧在所述第四螺孔上的第四螺丝将所述第三箍弧和第四箍弧固定接合。优选地，所述动子还包括轴承，所述轴承套在轴上，所述轴承的外径比永磁环、导磁环、第二限位环的外径大。优选地，所述轴承包括塑胶轴承和导磁轴承，所述塑胶轴承套在导磁轴承外圈。优选地，所述导磁环、第二限位环中至少一者的外径比永磁环的外径大。优选地，还包括压紧螺母，所述轴的端部设有螺纹，所述压紧螺母锁紧在所述螺纹上。优选地，所述轴为中空式。本发明有益的技术效果是: 本发明的潜油直线电机在油井下工作，并与抽油泵连接，由于本发明的潜油直线电机在定子外管和定子内管之间填充有固体绝缘材料，从而确保了定子内部线圈部件的高绝缘性和密封效果，阻隔了外部油、水等的进入，更加保证了位于定子内部的动子在无妨碍的条件上作上下直线运动，保证潜油直线电机的正常稳定工作。由于本发明的潜油直线电机通过在其定子的定位内管、定位外管端部设置有接头，该接头通过密封圈与定子内管、定子外管紧配合并与定子内、外管共同形成一密闭腔室，进一步确保了对设置于定子内管、定子外管之间的元件的密封性能。定子通过硅钢环和线圈产生初级行波磁场，与动子相互作用产生电磁推力，动子在定子内作上下直线运动，进而作用在抽油泵上，可将地下原油通过抽油泵被源源不断抽到抽油管内，并从抽油管输送到地面装置内；本潜油直线电机的定子在完全密封的情况下，阻隔了外部油、水等的进入，从而保证了位于定子内部的动子在无妨碍的条件下作上下运动，由于无需传统的长的抽油杆，大大提高了系统工作效率。附图说明图 1为本发明具体实施方式的潜油直线电机的结构示意图；图 2为本发明具体实施方式的潜油直线电机的定子的结构示意图；图 3为图 2中接头部分的立体示图；图 4为图 2中接头与定子内、外管装配的局部放大示图；图 5为图 2中定子引出电机线的一端的局部放大示图；图 6为图 2中第一限位环的立体示图；图 7为第一限位环的第一箍弧的立体示图；图 8为第一限位环的第二箍弧的立体示图；图 9为本发明具体实施方式的动子的结构示意图；图 10为图 9中的轴承的结构示意图。具体实施方式下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。如图 1、 2所示，本发明主要涉及一种用于油井下工作的潜油直线电机，可将位于地面下的原油泵到地面，本直线电机包括定子 1 (一般为初级）和在该定子 1内作上下直线运动的动子 2 (—般为次级）。所述定子 1包括定子外管 9、定子内管 11、阵列排布的多个硅钢环 15及多个线圈 14、以及两个环形接头 10，其中，定子外管 9和定子内管 11可采用钢管，所述线圈 14为环形。阵列排布的多节硅钢环 15和多个线圈 14轴向套设在定子外管 9和定子内管 11管体之间，并环套在定子内管 11上，且各硅钢环 15和线圈 14沿轴向以相互交错的形式排布。阵列排布的线圈 14按三相排列成星形或三角形连接线圈。如图 2-4所示，每一接头 10设置于定子外管 9、定子内管 11的一个端部，所述接头 10与定子外管 9、定子内管 11紧配合，在接头 10与定子内管 11相接的内周面以及接头 10与定子外管 9相接的外周面上均开设有环形槽 103，槽 103内装配有密封圈 12，本实施例中，该密封圈 12为 0型环。由于在接头 10分别与定子外管 9及定子内管 11 之间均设有密封圈 12，从而所述接头 10与所述定子外管 9和定子内管 11紧配合以在三者之间形成密封腔，以阻隔外部油、水等杂质的进入，保证了腔体内的硅钢环 15和环形线圈 14工作环境。如图 4所示，在进一步优选的实施例中，在定子外管 9和接头 10之间还装有例如胶类的环形垫片 17，该环形垫片 17可由第三螺丝（图未示）穿过并被夹紧在定子外管 9和接头 10之间，进一步确保密封腔的密封效果。如图 1所示，优选的实施例中，将接头 10与定子外管 9的外周面的相接部位 22，以及接头 10与定子内管 11的外周面的相接部位 23进行焊接，使其成为无缝状态，其可采用焊接性极佳的激光焊或氩弧焊，也可以采用其它焊接方式，也保证了定子 1在密封的环境。如图 1-5所示，优选的实施例中，接头 10包括外径不同的两段，形成台阶，该台阶的顶部 10a，即外径小的部分插入定子内管 11和定子外管 9的相应端之间，该台阶的底部 10b即外径大的部分顶抵定子外管 9的相应端。优选在定子外管 9受接头 10顶抵的端面开设有第一螺孔 91，接头 10的侧部开设有沉槽 101，接头 10的台阶的底部 10b对应该第一螺孔 91开设有连通该沉槽 101的第一通孔 105，第一螺丝（图未示）穿过该第一通孔 105并锁紧该第一螺孔 91上，通过螺丝锁紧力使定子外管 9和接头 10 间紧密接合，确保了腔室的密封性能。如图 2所示，为增强绝缘性能与强度，线圈 14用高绝缘胶类或塑料类固化，形成高强度与高绝缘性能的外壳。在定子外管 9和定子内管 11之间填灌如高绝缘胶或塑料等固体绝缘材料 29，该绝缘材料 29为环氧树脂，其成形后覆盖住线圈 14和硅钢环 15。图中对绝缘材料 29的标示仅为在一个位置的示意性标示，实际上绝缘材料填充于定子外管 9和定子内管 11之间各处。由于本发明的潜油直线电机在定子外管 9和定子内管 11之间填充有固体绝缘材料 29，图 2中只是简单示意了绝缘材料 29的示意图，其实绝缘材料是填充在定子外管 9 和定子内管 11之间，不仅仅只是图 2示意的一部分，从而确保了定子内部线圈部件的高绝缘性和密封效果，进一步阻隔了外部油、水等的进入，更加保证了位于定子内部的动子在无妨碍的条件上作上下直线运动，保证潜油直线电机的正常稳定工作。如图 2所示，为了使外部的控制系统（图未示）能通过本潜油直线电机的引出电缆线 20控制电机运动，在一个接头 10中开有出线孔 106，电机卷线引出线 18从该出线孔 106引出。所述出线孔 106可沿轴向开设。电机卷线引出线 18与电机引出电缆线 20的连接端 21设置在出线孔 106内，优选在出线孔 106内将该连接端用螺丝或胶固化，从而确保接线强度与连接处的密封性。如图 2所示，电机引出电缆线 20的接头部 201 连接控制系统。也可在一个接头 10中开有出线槽，电机卷线引出线 18从该出线槽引出。如图 2所示，在环形接头 10内设置的内螺纹 102，其上锁付螺丝 13，这样可以增强电机本体强度。如图 1所示，优选的实施例中，前述的密闭腔室内除了具有硅钢环 15和线圈 14 之外，还包括紧固安装在定子内管 11上的多个第一限位环 16，第一限位环 16对硅钢环 15和线圈 14在定子内管 11轴向上的排列起定位作用，保证定子励磁元件的布置要求，同时可确保每段槽距，也即定子 1的硅钢环 15的间距。第一限位环 16可采用钢环，此种情况下，第一限位环 16也参与定子的磁路。优选地，每隔规定距离均设置第一限位环 16，并在靠近两接头 10的位置也各设置第一限位环 16，各第一限位环 16侧部紧接硅钢环 15或线圈 14以限制其活动。如图 6-8所示，进一步地，第一限位环 16为由第一箍弧 16a和第二箍弧 16b组成的压箍，第一箍弧 16a和第二箍弧 16b的弧度之和略小于整圆的弧度。优选第一箍弧 16a和第二箍弧 16b大体上均呈半圆环状。其中，所述第一箍弧 16a上设有连通其外侧部和端部的第二通孔 162，第二箍弧 16b的相应端部开设有第二螺孔 163，第二螺丝穿过第二通孔 162并锁紧在第二螺孔 163上，以固定连接第一箍弧 16a和第二箍弧 16b。这样，即通过螺丝锁紧力将第一箍弧 16a、第二箍弧 16b紧箍在定子内管 1 1上。在另外的实施例中，第一限位环 16也可以是其他结构，如由位于定子内管 11上的圈状凸起构成。为确保机械强度，定子内管 11采用薄壁式钢管。另外，定子内管 11既可以是一体化的长管，也可以是由多根短管分段相接构成。如图 9所示，所述动子 2，包括轴 25、永磁环 4、导磁环 5、第二限位环 7。所述永磁环 4和导磁环 5阵列排列在轴 25上。所述第二限位环 7固定在轴 25上，用于对轴 25上的永磁环 4和导磁环 5进行轴向限位。所述第二限位环 7可以使永磁环 4和导磁环 5保持在初始设计位置上，避免永磁环 4和导磁环 5发生挪动造成的极矩变化，从而保证动子的正常工作。进而避免对动子的维修、检测，节约费用。所述轴 25可为钢管，所述导磁环 5可为钢环，所述第二限位环 7的材料也可为钢。所述永磁环 4和导磁环 5的数目根据轴 25的长度、永磁环 4和导磁环 5的宽度决定，一般都有多个。如图 9、 10所示，在一个实施例中，所述动子 2还包括轴承 6，所述轴承 6套在轴 25上。所述轴承 6的外径比永磁环 4、导磁环 5、第二限位环 7的外径大，起到保护永磁环 4、导磁环 5、第二限位环 7的作用。如图 2所示，所述轴承 6包括塑胶轴承 61 和导磁轴承 62，所述塑胶轴承 61套在导磁轴承 62外圈。所述塑胶轴承 61由高分子耐磨材料制成，以减小磨擦系数。所述导磁轴承 62可为钢轴承。所述第二限位环 7 (第二限位环 7的结构与第一限位环 16的结构相同，可参考图 6-8 ) 包括由第三箍弧 71、第四箍弧 72组成的压箍，所述第三箍弧 71和第四箍弧 72 的弧度和略小于整圆弧度，所述第三箍弧 71和第四箍弧 72固定接合以紧箍在所述轴 25上。在一个实施例中，所述第三箍弧 71、第四箍弧 72大体上均呈半圆环状。所述第三箍弧 71上设有连通外侧部和端部的第四通孔 73，所述第四箍弧 72的相应端部设有第四螺孔 74，第四螺丝（图未示）穿过所述第四通孔 73并锁紧在所述第四螺孔 73 上以将所述第三箍弧 71和第四箍弧 72固定接合。当然，根据需要，用户可以设计出三个或更多箍弧组成一个完整的限位环。只要这些箍弧的弧度和略小于整圆弧度即可。在另外的实施例中，所述第二限位环 7也可以是其它结构，如由位于动轴上的圈状凸起构成。如图 9所示，在一个实施例中，所述导磁环 5、第二限位环 7中至少一者的外径比永磁环 4的外径略大。这样，在轴承 6磨损后，导磁环 5和第二限位环 7中至少一者就可为永磁环 4提供保护如图 9所示，在某个实施例中，所述动子 2还包括压紧螺母 8，所述动轴端部设有螺纹 3，所述压紧螺母锁紧在所述螺纹 3上。压紧螺母能保证轴 25上的永磁环 4、导磁环 5、第二限位环 7和轴承 6的锁紧力。如图 9所示，如果永磁环 4和导磁环 5的数目很多，那么所述第二限位环 7可设置多个，各个第二限位环 7均匀分离地固定在轴 25上。即在所述轴 25上，每隔规定距离就设置一个第二限位环 7，并在靠近压紧螺母 8处也设置第一限位环 16进一步增强对永磁环 4和导磁环 5的轴向限位。如图 9所示，所述动轴为中空式，从而起到增强强度、潜油呼吸的作用或直接作为油路的一部分。所述螺纹 3还可用于连结抽油泵的柱塞总成。所述接头 10上的内螺纹 102还可用于连结抽油泵的泵筒总成。如图 1所示，上述潜油直线电机的工作原理如下：由于本发明的潜油直线电机在油井下工作，并与抽油泵连接。本发明通过在其定子的定位内管、定位外管端部设置有接头，该接头均通过密封圈与定子内管、定子外管紧配合并与定子内、外管共同形成一密闭腔室，确保了对设置于定子内管、定子外管之间的硅钢环和线圈的密封性能。当定子 1的线圈 14线圈 14通三相电后，线圈 14、与其配合布置的硅钢圆环 15将产生定子行波磁场，与动子 2相互作用将电磁能转换成机械能，产生推力使动子 2在定子 1 内上下运动。从而带动抽油泵上下运动，可将地下原油通过抽油泵被源源不断抽到抽油管内，并从抽油管输送到地面装置内。本发明的潜油直线电机可使定子保持完全密封，阻隔了外部油、水等的进入，从而保证了位于定子内部的动子在无妨碍的条件下作上下运动，由于无需传统的长的抽油杆，大大提高了系统工作效率。本发明的潜油直线电机在定子外管和定子内管之间填充有固体绝缘材料，从而确保了定子内部线圈部件的高绝缘性，保证潜油直线电机的正常稳定工作。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。例如，本发明的定子不但可以作为潜油直线电机的定子，还可以是其它任何需要对定子中的线圈部分进行密封的直线电机的填充有绝缘材料定子。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

权利要求书

1.一种潜油直线电机，包括定子（1 )及在该定子（1 ) 内作直线运动的动子（2)，所述定子（1 ) 包括定子内管（11 )、套设在所述定子内管（11 ) 外的定子外管（9) 以及设置于所述定子外管（9)和所述定子内管（11 )之间并沿其轴向排布的复数节硅钢环（15) 和线圈（14)，其特征在于，所述定子外管（9) 和所述定子内管（11 ) 之间填充有固体绝缘材料。

2.如权利要求 1所述的潜油直线电机，其特征在于，所述绝缘材料为环氧树脂。

3.如权利要求 1所述的潜油直线电机，其特征在于，所述线圈（14) 具有绝缘外壳。

4. 如权利要求 1所述的潜油直线电机，其特征在于，还包括设置于所述定子外管 (9)和定子内管（11 )端部的至少一接头（10)，所述接头（10)与所述定子外管（9) 和定子内管（11 ) 紧配合以在三者之间形成密封腔。

5.如权利要求 4所述的潜油直线电机，其特征在于，在所述接头（10)分别与定子外管（9) 与定子内管（11 ) 的接合处均设有密封圈（12)。

6.如权利要求 5所述的潜油直线电机，其特征在于，在所述接头（10) 分别与所述定子内管（11 )及定子外管（9 )相接的周面的至少一者上开设有环形槽（103)，所述密封圈（12) 位于该环形槽（103) 内。

7.如权利要求 4所述的潜油直线电机，其特征在于，所述定子外管的端面开设有第一螺孔（91 )，所述接头（10 ) 的侧部开设有沉槽（101 )，所述沉槽内开设有与所述第一螺孔（91 ) 对应、并连通所述沉槽（101 ) 的第一通孔（105)。

8.如权利要求 4所述的潜油直线电机，其特征在于，所述定子外管（9) 与接头间设有胶类的垫片（17)。

9.如权利要求 4所述的潜油直线电机，其特征在于，所述接头（10) 与定子外管 (9) 的外周面的相接部位（22) 以及所述接头（10) 与定子内管（11 ) 的内周面的相接部位（23) 至少一者焊接成无缝状态。

10.根据权利要求 1所述的潜油直线电机，其特征在于：还包括设置于所述定子外管（9) 和定子内管（11 ) 之间的第一限位环（16 )，所述第一限位环（16) 紧固安装在所述定子内管（11) 上，用于对所述硅钢环（15) 和线圈（14) 进行限位。

11.根据权利要求 10所述的潜油直线电机，其特征在于：所述第一限位环（16) 包括弧度之和略小于整圆弧度的第一箍弧（16a)和第二箍弧（16b)，所述第一、二箍弧（16a， 16b) 固定接合以紧箍在所述定子内管（11) 上。

12.根据权利要求 9所述的潜油直线电机，其特征在于：所述第一箍弧（16a) 的侧部开设有连通其端部的第二通孔（162)，所述第二箍弧（16b) 的相应端部开设有第二螺孔（163)，穿过所述第二通孔（162) 并锁付在所述第二螺孔（163) 上的第二螺丝将所述第一箍弧（16a) 和第二箍弧（16b) 固接。

13. 根据权利要求 1-12任一所述的潜油直线电机，所述动子（2)包括轴（25)、永磁环（4)、导磁环（5) 和第二限位环（7)，所述永磁环（4) 和导磁环（5) 阵列排布在轴（25) 上，所述第二限位环（7) 固紧安装在轴（25) 上，用于对轴（25) 上的永磁环（4) 和导磁环（5) 进行轴向限位。

14.根据权利要求 12所述的潜油直线电机，其特征在于：所述第二限位环（7) 包括第三箍弧（71)、第四箍弧（72)，所述第三箍弧（71) 和第四箍弧（72) 的弧度和略小于整圆弧度，所述第三箍弧（71) 和第四箍弧（72) 固定接合以紧箍在所述轴

(25) 上。

15. 根据权利要求 14所述的潜油直线电机，其特征在于：所述第三箍弧（71) 上设有连通外侧部和端部的第四通孔（73)，所述第四箍弧（72) 的相应端部设有第四螺孔（74)，穿过所述第四通孔（73) 并锁紧在所述第四螺孔（74) 上的第四螺丝将所述第三箍弧（71) 和第四箍弧（72) 固定接合。

16. 根据权利要求 14所述的潜油直线电机，其特征在于：所述动子（2) 还包括轴承（6)，所述轴承（6) 套在轴（25) 上，所述轴承（6) 的外径比永磁环（4)、导磁环（5)、第二限位环（7) 的外径大。

17. 根据权利要求 14所述的潜油直线电机，其特征在于：所述轴承（6) 包括塑胶轴承（61) 和导磁轴承（62)，所述塑胶轴承（61) 套在导磁轴承（62) 外圈。

18. 根据权利要求 14所述的潜油直线电机，其特征在于：所述导磁环（5)、第二限位环（7) 中至少一者的外径比永磁环（4) 的外径大。

19. 根据权利要求 14所述的潜油直线电机，其特征在于：还包括压紧螺母（8)，所述轴（25) 的端部设有螺纹（3)，所述压紧螺母（8) 锁紧在所述螺纹（3) 上。

20. 根据权利要求 14所述的潜油直线电机，其特征在于：所述轴（25)为中空式。